CN100356704C - 无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，涉及对接收的信号的频偏补偿问题。在接收的数字扩频信号中截取出最大径的训练序列；在本地训练序列中加入预设的频偏后与截取的训练序列进行相关，在相关后的数据中选择最大值确定当前时隙的频偏；对频偏进行平滑修正；通过信道估计、扩频码、扰码、权值，得到混合信道冲击响应；对各用户混合信道冲击响应进行频偏补偿。由于在联合检测前进行频偏补偿，因此可以提高解扩性能，并且避免了解扩后进行频偏补偿带来的误差扩散。提高了联合检测的性能以及系统整体性能，具有较高的突破性。

Description

无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法

技术领域：

本发明涉及无线通讯领域，具体涉及无线移动通讯领域对接收的信号的频偏补偿问题。

背景技术：

在移动通信系统中，接收机接收的信号与发射机发射的信号，存在一个频率差，通常称为频率偏移。多普勒引起的频率偏移可以达到几百赫兹，而由载波引入的最大频差可以达到上千赫兹，因此接收端必须进行频率校正。频率校正功能是由频率校正环路完成的，常用的装置有自动频率控制(AFC，Auto FrequencyControl)和锁相环路(PLL，Phase Lock Loop)，在钱聪、陈英梅《通信电子线路》(人民邮电出版社2004年1月版)中有介绍。

频率校正环路是通过调整本振频率来对抗频率偏移，可以有效校正后继突发数据的频率偏移。但该校正并不会对当前接收数据有任何改善。因此，需要对当前接收数据进行频差补偿操作。

在中国专利号为97115151.2、名称为“扩频通信系统中载波恢复和补偿的方法及其装置”的发明专利、US 5303257、WO 9524086A及《信道估计和均衡》

(Georgios B.Giannakis等，人民邮电出版社2002年11月版)中介绍了下面的技术方案：由解扩出来的数据硬判决解调，然后重新进行QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，四相位健控)调制，求取重调的比特和未判决的比特之间的相位差，再用下面的公式求频偏：

${\mathrm{cita}}^{\left(k_{\mathrm{VRU}}\right)}=\frac{1}{2M}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{\mathrm{cita}}_{2,i}^{\left(k_{\mathrm{VRU}}\right)}}{4.5+i}-\frac{{\mathrm{cita}}_{\mathrm{1,21}-i}^{\left(k_{\mathrm{VRU}}\right)}}{5.5+i})---\left(1\right)$

得到频偏之后对数据进行频偏补偿，其实现方案如图1a所示。

上式表示的相位频偏计算可以由图1b表示，在图1b中：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δf}\·\mathrm{\Δ}{t}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δf}\·\mathrm{\Δ}{t}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δf}=\frac{{\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δ}{t}_1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\Δ}{t}_2}---\left(3\right)$

这里认为(1)式中的4.5+i与5.5+i近似相等。利用(1)式求得频偏后，再换算成相位补回到每个符号，作为软输出信息送给后面的解码单元。

在现有技术中，当频率偏移比较大时，在TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)一个突发时间内，用户信道环境不再可以假设为时不变的，通过训练序列得到的信道冲击响应h(t)不再适用于整个突发。因此，在进行联合检测之后，利用未知的用户数据进行硬判解调，得到频偏补偿，存在如下问题：当频率偏移比较大时，在TD-SCDMA一个突发时间内，用户信道环境不再可以假设为时不变的，通过训练序列得到的信道冲击响应h(t)不再适用于整个突发，因此，联合检测的性能下降，从而导致解扩后数据误码率增加。由于解扩后数据误码率增加，从而导致解调性能下降。由于采用硬判解调，不可避免的引入了硬判损失。当相位出现整倍数变化时，该方案无法进行有效补偿。在某些错误情况下，硬判后解调星座图出现在圆点，会带来较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种能克服现有技术缺陷的新的技术方案，能提高整体性能。

本发明的技术方案为：在接收数据中截取出最大径的训练序列；在本地训练序列中加入预设的频偏后与截取的训练序列进行相关，在相关后的数据中选择最大值确定当前时隙的频偏；对所述当前时隙的频偏进行平滑修正；通过对接收数据进行信道估计、扩频、加扰、加权，得到混合信道冲击响应；使用各用户经过平滑修正的当前时隙的频偏估计值，对混合信道冲击响应进行频偏补偿。

所述在本地训练序列中加入预设的频偏，其方法可以是，选择接收数据频差的可能范围为[-f_max，f_max]，设在此范围内进行λ次估计，则频差间隔为 $f_d=\frac{{2f}_{\max }}{\mathrm{\λ}};$ 在示同频差点f_i＝{0，±f_d，±2f_d，..，±f_max}预设频偏e^-j2πfi。

所述在相关后的数据中选择最大值，其方法可以是，相关后分别选择各个频偏的相关结果的模的峰值，从多个相关峰值中选择最大值。

所述对频偏进行平滑修正，其方法可以为，保存前一时隙频偏并对其加权，对当前时隙频偏加权，上述两个加权后的值进一步通过加法器相加处理。具体是用加权遗忘因子对当前时隙和以前时隙的频偏平滑，再进行相位估计：

${\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=(1-p){\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n-1}+{\mathrm{pf}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=2\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}\·t$

其中，p为加权遗忘因子，设为0.75～0.9之间；

为前一时隙n-1第k个用户平滑后的频偏；f_correct ^k，n为当前时隙n第k个用户的频偏；

为当前时隙n第k个用户平滑后的频偏；

为当前时隙n第k个用户平滑后的频偏估计值；t为时隙长度。

所述对频偏进行平滑修正，其方法还可以为，保存前一时隙频偏估计值并对其加权，对当前时隙频偏估计值加权，上述两个加权后的值进一步通过加法器相加。

本发明在联合检测前进行了频偏补偿，不需要进行解调硬判，避免了解调硬判的损失，提高了联合检测的性能；由于采用频偏遍历的方法，因此只要在设定的频偏内，就可以对频偏进行有效的补偿；对较大的频偏有较好的补偿作用；可以有效提高系统信噪比-比特误码率性能；由于只需要和最大径进行相关，因此计算量小，实用性强。

附图说明：

图1a是现有技术中频偏补偿方案实现示意图；

图1b是现有技术中频偏实偿方案中相位频偏计算示意图；

图2是本发明的一个实施例的流程及实施模块示意图；

图3是频偏平滑处理示意图。

具体实施方式

在TD-SCDMA系统中，无论在上行同步过程，还是在业务信道传输过程中，在一个时隙内已知序列有效长度均为128chips。本发明就是利用该已知序列进行频率估计。

下面先介绍本发明的基本思路：

设已知发送序列为：S＝{s₁，s₂，...，s_n)    (4)

经过空中信道，对应接收端序列为：R＝{r₁，r₂，...，r_n，...，r_n+W)    (5)

其中w为多径延迟窗宽。考虑到噪声、频偏等干扰，式(5)中接收码片可以表示为： $r_n=(1+e^{j{\mathrm{\φ}}_n})s_n+n_n$

其中φ_n是由于频偏干扰引起的。

设该接收序列频差的可能范围为f＝[-f_max，f_max]，假定在此范围内进行λ次估计，则频差间隔为 $f_d=\frac{2f_{\max }}{\mathrm{\λ}}$ ，遍历的频差点为

f＝{0，±f_d，±2f_d，..，±f_max}    (7)

预设的频偏补偿值为e^-j2πfi，f_i∈f。

在不同频差点对本地训练序列进行频差预偏置，虽然每个用户都存在多径问题，但是对于相同用户的某一多径，其频偏是一致的，因此只需要对其中最强多径的训练序列进行相关。则某个用户的某个频偏的相关结果为：

${\mathrm{\Ω}}^{i,k}=\{{\mathrm{\Ω}}_1^{i,k},{\mathrm{\Ω}}_2^{i,k}\mathrm{\Λ},{\mathrm{\Ω}}_{2n-1}^{i,k}\}i=1,\mathrm{\Λ},\mathrm{\λ}---\left(8\right)$

其中i为第i个频率遍历点，k为第k个用户。对式(8)取模，并搜索其峰值，如下：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{peak}}^{i,k}=\mathrm{peak}\left(\right\{\left|\right|{\mathrm{\Ω}}_1^{i,k}\left|\right|,\left|\right|{\mathrm{\Ω}}_2^{i,k}\left|\right|,\mathrm{\Λ}\left|\right|{\mathrm{\Ω}}_{2n-1}^{i,k}\left|\right|\left\}\right)---\left(9\right)$

对每个频偏补偿点进行遍历搜索，第k个用户的训练序列相关峰值点的集合为Ω^k：

${\mathrm{\Ω}}^k=\{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{peak}}^{-f_{\max },k},\mathrm{\Λ},C_{\mathrm{peak}}^{0,k},\mathrm{\Λ}{C}_{\mathrm{peak}}^{f_{\max },k}\}---\left(10\right)$

其中最佳频偏补偿点的峰值为：

${\mathrm{\Ω}}_f^k=\max \left({\mathrm{\Ω}}^k\right)---\left(11\right)$

第k用户在第n时隙的频偏估计值为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{correct}}^k\·t---\left(12\right)$

其中t为时隙长度，f_correct ^k为第k个用户对应的最佳估计频差。

估计出当前时隙最佳频偏后，为有效利用以前的频偏信息和减少计算量，需要对当前时隙的频偏估计进行平滑修正。采用加权遗忘因子对当前时隙和以前时隙的频偏估计值进行平滑修正：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=(1-p){\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{correct}}^{k,n-1}+p{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}---\left(13\right)$

其中p为加权遗忘因子，一般设为0.75～0.9之间。

为了防止相位发生2π翻转，因此，将式(12)、(13)顺序进行调整，即先进行频偏平滑，再进行相位估计，如式(14)和(15)：

${\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=(1-p){\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n-1}+p{f}_{\mathrm{correct}}^{k,n}---\left(14\right)$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=2\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}\·t---\left(15\right)$

得到修正后的频偏估计后，在联合检测前，对混合信道冲击响应进行频偏补偿。

根据以上思路，本发明设计如图2所示的模块，主要包括频偏预设器22，乘法器23，截取训练序列模块(包括最大径搜索)24，相关模块25，选择峰值模块(包括取模)26，本地训练序列模块27，最大峰值判决模块28，频偏平滑修正处理29，频偏估计模块210，扩频码、扰码、权值产生器211，信道估计模块212，混合冲击响应模块213，联合检测模块214，解调模块215。

本发明的工作流程为：根据设计指标和要求，可以预先得到接收序列频偏的可能范围，设定频差间隔为 $f_d=\frac{2f_{\max }}{\mathrm{\λ}}.$ 使用乘法器23和频偏预设器22对本地训练序列27进行频偏预设。接收时，从天线端可以得到接收数据21，由截取序列模块24进行最大径搜索，并从接收数据中截取最大径的训练序列217。使用相关模块25将从截取的训练217与本地进行频偏预设后的训练序列216进行相关。用峰值选择模块26对相关后的结果218取模并选择最大峰值。将最大峰值219送入最大峰值判决模块28，得到每个用户在当前时隙中频偏遍历后的最大的峰值220。在频偏平滑修正处理29得到最大峰值220对应的预设频偏值，并利用式(14)进行频偏平滑处理。将频偏平滑处理后的结果221送入频偏估计模块210，得到当前时隙各用户的相位偏差估计值222。

通过信道估计器212，扩频码、扰码、权值产生器211和乘法器23得到混合信道冲击响应213；用平滑后的频偏估计值222，通过乘法器23对混合信道冲击响应223进行频偏补偿，得到补偿后的混合信道冲击响应224；经过联合检测模块214得到解扩后数据225，经过解调模块214对数据225进行解调并送至译码器。

参见图3，对频偏平滑处理进行说明，频偏平滑处理包括当前时隙频偏估计结果31，加权P34，加权(1-P)32，保存的前一时隙频偏结果33，对保存的前一时隙频偏估计结果，加权(1-P)，对当前时隙频偏估计结果，加权P，两者通过加法器35相加，利用式14，计算当前时隙平滑修正后的频偏估计36。

综上所述，本专利的突出特点在于采用频偏遍历的方法，在本地训练序列中加入预设的频偏后与截取的最大径训练序列进行相关。对不同的频偏，其相关结果不同，在一系列相关后的数据中选择最大值，确定当前时隙的频偏。采用加权修正的方法，对当前时隙的频偏估计进行修正。由于在联合检测前进行频偏补偿，因此可以提高解扩性能，并且避免了解扩后进行频偏补偿带来的误差扩散。提高了联合检测的性能以及系统整体性能，具有较高的突破性。

Claims (5)

1、一种无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，包括：

1.1在接收数据中截取出最大径的训练序列；

1.2在本地训练序列中加入预设的频偏后与截取的训练序列进行相关，在相关后的数据中选择最大值确定当前时隙的频偏；

1.3对所述当前时隙的频偏进行平滑修正；

1.4通过对接收数据进行信道估计、扩频、加扰、加权，得到混合信道冲击响应；

1.5使用各用户经过平滑修正的当前时隙的频偏估计值，对混合信道冲击响应进行频偏补偿。

2、权利要求1所述的无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，其特征在于，所述在本地训练序列中加入预设的频偏，其方法为，选择接收数据频差的可能范围为[-f_max，f_max]，设在此范围内进行λ次估计，则频差间隔为 $f_d=\frac{2f_{\max }}{\mathrm{\λ}};$ 在不同频差点f_i＝{0，±f_d，±2f_d，..，±f_max}预设频偏e^-j2πfi。

3、权利要求1所述的无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，其特征在于，所述在相关后的数据中选择最大值，其方法为，相关后分别选择各个频偏的相关结果的模的峰值，从多个相关峰值中选择最大值。

4、权利要求1至3任一权利要求所述的无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，其特征在于，所述对频偏进行平滑修正，其方法为，保存前一时隙频偏并对其加权，对当前时隙频偏加权，上述两个加权后的值进一步通过加法器相加及处理；

或者，保存前一时隙频偏估计值并对其加权，对当前时隙频偏估计值加权，上述两个加权后的值进一步通过加法器相加。

5、权利要求4所述的无线移动通信系统中对频偏进行补偿的方法，其特征在于，对前一时隙频偏的加权因子为1-p，对当前时隙频偏的加权因子为p，先对当前时隙和以前时隙的频偏平滑，再进行相位估计：

${\stackrel{-}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=(1-p){\stackrel{-}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n-1}+p{f}_{\mathrm{correct}}^{k,n}$

${\stackrel{-}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}=2\mathrm{\π}{\stackrel{-}{f}}_{\mathrm{correct}}^{k,n}\·t$

其中，p为加权遗忘因子，设为0.75～0.9之间；

为前一时隙n-1第k个用户平滑后的频偏；f_correct ^k，n为当前时隙n第k个用户的频偏； 为当前时隙n第k个用户平滑后的频偏；

为当前时隙n第k个用户平滑后的频偏估计值；t为时隙长度。

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